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我國有巨大的制氫能力和應用需求，氫能的發(fā)展對我國的能源安全和環(huán)境保護將產(chǎn)生哪些深遠的影響？未來“氫社會”的新愿景是什么？氫能將如何改變我們的生活？中國工程院原副院長、國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會主任、中國金屬學會理事長干勇，長期從事國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究，以及新材料、冶金、現(xiàn)代鋼鐵工藝技術(shù)研究，他是我國著名的戰(zhàn)略科學家，如何利用現(xiàn)有條件降低制氫成本？如何推動整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和商業(yè)化？干勇院士對我國氫能的開發(fā)利用有何見解？（以下為演講全文） 能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化有兩條路徑：一是不可再生的化石能源必須被可再生的綠色能源替代；二是高碳向低碳的轉(zhuǎn)變過程，氫無疑是最好的元素，氫氣無毒、清潔、燃料價值高，古人以木材為能源，如果將氫與木材相比，其能量密度是木材的1000倍，后來，人類使用煤炭作為能源，氫的能量密度是煤的6.8倍。現(xiàn)在我們使用石油和天然氣，氫氣的能量密度是汽油的3.3倍，是天然氣的3.4倍。因此，氫的能量密度最大，最適合我們要選擇的清潔能源。
1、氫燃料電池有哪些顛覆性應用？
目前，氫能或氫能的利用，尤其是氫能在燃料電池汽車上的應用，已經(jīng)非常火熱，經(jīng)過一段時間的小高潮，氫燃料電池是移動式發(fā)電機供電，沒有熱循環(huán)，可提高90%的工作效率，發(fā)電效率非常高，氫是如何變成電的？氫燃料電池與鍋爐或供暖無關(guān)，氫氣發(fā)電機理不依賴熱循環(huán)，即氫氣在含鉑催化劑下釋放兩個電子，這兩個電子流走，形成電流。對于氫燃料電池在交通領(lǐng)域應用的突破，我們應該感謝這些汽車工作者的堅持，在完成氫在汽車上的應用的過程中，他們做了大量的工作，最終實現(xiàn)了工程化和商業(yè)化。
現(xiàn)在日本豐田已經(jīng)向全球供應了數(shù)千輛乘用車和商用車，并已正式投入運營，全球知名企業(yè)如奔馳、寶馬、豐田、本田等都聯(lián)合成立了氫能委員會，他們認為，人類必須在21世紀進入氫時代。因此，要防止地球溫度在2050年左右上升兩度，就必須使氫在能源結(jié)構(gòu)中的比重達到18%以上，每年可減少60億噸二氧化碳的排放量，并且氫燃料電池在氫氣供應系統(tǒng)中的應用本身就是一個龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，可以形成一個龐大的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，他們估計為2.5萬億美元。到2050年，形成如此大的氫產(chǎn)業(yè)，可就業(yè)3000萬人。除了氫在汽車上的應用，氫燃料電池還可以用于深海潛水和無人機等移動設備需要電力的地方。高鐵大家都很熟悉，很方便，但它的致命弱點就是電，一旦發(fā)生自然災害，一旦停電，如果火車停在沙漠中，沒有能源儲備，人們可能會在那里被曬傷。
氫燃料電池可用于火車，因此中國中車表示將加入氫聯(lián)盟，發(fā)展氫能的使用，對于我們5G時代的所有基站，其能源系統(tǒng)和供電系統(tǒng)也可以使用氫能，還有生活中分布式發(fā)電。事實上，每個家庭都可以放一個氫燃料電池用來加熱和冷卻，所有家用電器，包括汽車，都可以解決。一條氫氣管道進入家中就可以提供所需的全部能量，非常方便。即使在外面沒有電的時候，也可以成為發(fā)電和供電的來源，可以平衡整個電網(wǎng)。事實證明，我們的電網(wǎng)有高峰也有低谷，通過這種分布式發(fā)電，我們其實可以做一個很好的動態(tài)協(xié)調(diào)和調(diào)整，提高我們的發(fā)電效率和網(wǎng)絡運行質(zhì)量。氫能制成的燃料電池與鋰動力電池相比，如果以鋰動力電池作為主要動力來源，其續(xù)航里程對于重型航空航天或大型移動設備來說是不夠的，其能量密度也不如氫燃料電池高，這種應用的優(yōu)勢不如氫燃料電池。由于氫的能量密度是汽油的三倍以上，氫燃料電池非常適合未來的航空航天等大功率交通工具。
2. 氫氣安全嗎？
既然氫能有這么多優(yōu)點，大家就會問，現(xiàn)在使用氫能危險嗎？事實上，氫能作為燃料是具備危險性，燃燒后的氣味是無毒的，我們經(jīng)常看到火災和爆炸的場景，人們還沒有接觸火，有毒氣體已經(jīng)把人熏倒了，但氫氣沒有這個問題。另外，就燃料的爆炸性而言，氫氣的擴散速度是汽油的12倍，傳播速度很快，不會造成其他更嚴重的后果。
當汽油和氫燃料汽車分別著火時，氫燃料汽車一燃燒就起火并迅速蔓延，而汽油車只能燃燒，汽油來不及擴散，最終汽油車全部燒毀，氫燃料車沒有其他危險，也不能傷害人，所以在安全性上，氫燃料比汽油稍微安全一點，我們以前用過氫氣，每個人都接觸過氫氣，用氫氣做還原劑時，用量少，沒有什么不安全的。
但是現(xiàn)在，如果要使用氫氣作為能源，就需要大量使用，當它進入人們中間時，人們就害怕了，這種氫氣可能會爆炸，氫氣球都爆炸，比如以前有個地方建了加氫站，現(xiàn)在這個地方已經(jīng)不需要了，加氫站要搬走，沒人敢搬，也沒地方敢批，七年后，加氫站一直沒有搬遷，被搬遷的當?shù)卣膊煌猓恢勒l會批準，事實上，氫氣并沒有那么危險。中國管網(wǎng)輸送氫氣約400公里，未來管網(wǎng)將延伸很長，氫氣是在公路上運輸?shù)模覀冞^去常常去加氫站加氫，白天是不讓加氫的，半夜12點才讓加氫，我們都害怕安全問題，氫氣系統(tǒng)的建立是為了制定絕對安全的氫氣操作規(guī)則，當然，既然是燃料，就得定規(guī)矩，但還是比較危險，尤其是在初期的推廣期，一定要特別注意。
就像我們在 19 世紀使用氧氣一樣，起初它很危險，定下所有的規(guī)矩后，即使晚上睡在氧氣枕上，也不會感到緊張。因此，如果標準是為氫氣設定的，按照整個氫氣規(guī)則，是沒有危險的。事實證明，我們將其視為危險化學品當然是合理的，因為它的使用并不多，人們沒有統(tǒng)一的認識，也沒有系統(tǒng)的標準。如果是大能源，其實可以重新制定其使用規(guī)則，制定氫氣運輸、加氫、儲氫、制氫的規(guī)則和標準，這實際上就安全了。
3、氫能是霧霾的終結(jié)者嗎？
我認為霧霾問題是當前一個非常重要的問題，現(xiàn)有柴油車僅占車輛總數(shù)的9.4%，但是柴油車在霧霾問題上的貢獻率是非常大的。我們說整個霧霾問題都是汽車尾氣排放造成的，它的貢獻率一般在29%到45%之間，大約三分之一是由它造成的。在這三分之一中，柴油車約占70%。大多數(shù)顆粒物是由柴油車輛排放的。它對PM2.5的貢獻非常大。這個問題必須解決，所以它是引起霧霾的主要原因，尤其是中國港口柴油車非常集中，唐山的物流量非常大，是重化工業(yè)區(qū)，一個城市的鋼鐵生產(chǎn)能力超過1億噸，超過幾個國家的總和。
一噸鋼材造成的物流量大概有五六噸左右，那么它最方便的是什么？重型卡車用于從港口運輸?shù)戒撹F廠，唐山200多萬輛汽車中，柴油車近20萬輛，排放量很大，污染很嚴重。因此，我們覺得在這個地方，實施柴油制氫，將有效緩解京津冀地區(qū)霧霾壓力，從氫燃料電池本身的特性來看，適合重載長途續(xù)航，所以在港口來回跑六百到一千公里沒有問題，重載也沒有問題。柴油車密集的港口容易部署加氫站，我國國內(nèi)港口都在物流集散地，都是重化工區(qū)，工業(yè)副產(chǎn)氫也很豐富，港口也非常靠近大海，海上運輸和未來氫燃料的來源也很容易，所以我覺得如果是這樣的話，可以先解決港口這個氫氣，利用環(huán)境帶動氫能和氫燃料的發(fā)展。所以，“柴油改氫”這個詞只代表了我們技術(shù)路線的方向，每個鋼廠都有自己的汽車管理團隊。例如，河北鋼鐵有2萬多輛汽車進行統(tǒng)一加氫，加氫站的布局就很容易了。要沿著乘用車的路去布局，先從港口的柴油車啟動，這是非常有現(xiàn)實意義的。大量的、密集地使用氫，加氫站的建設規(guī)模就可以大。現(xiàn)在我們搞兩百公斤，每天300公斤、500公斤的加氫站效率很低。
因為加多了沒用，搞一噸、兩噸的沒有那么多車來加，它很分散。但是在港口不一樣，我的加氫站每天可以到三噸，可以到五噸，加氫站的效率就很高，可以降低加氫站的成本，而增加加氫站的工作效率。氫燃料車重卡用氫的成本每公斤達到40塊錢左右，和柴油車的成本相當，能夠進行商業(yè)化運行，而不是一直賠錢賠下去，國家補貼下去。氫燃料電池汽車，氫的成本每公斤65~70塊錢，國家還得每公斤補20塊錢才能夠運行，不能這樣老補貼下去。制氫、運到加氫站的目標成本大概在每公斤22塊錢左右，是可以接受的，所以說為什么“柴改氫”要在港口上的重卡上先進行，我覺得意義就在這個地方。
2019年12月31日，從港口到唐山鋼廠的公路將改成鐵路，但公路轉(zhuǎn)鐵路并不能解決最終的問題。最好使用“柴油改氫”，即柴油車要換成氫燃料車。如果這樣打通，我們實際上可以在港口城市進行示范。如果先在京津冀地區(qū)建立氫能利用體系，可以在2030年前的短時間內(nèi)部分解決京津冀霧霾問題，或者根本解決。可以解決揚塵問題，大大減少二氧化碳溫室氣體排放，截至2018年底，全球已有400多個加氫站投入運營，全球燃料電池乘用車銷量近6000輛，世界主要發(fā)達國家已將氫能的開發(fā)利用置于國家能源安全的戰(zhàn)略高度。2017年以來，我國在氫能源和燃料電池領(lǐng)域計劃投資約2000億元，全國計劃建設加氫站約60座。生產(chǎn)了200多輛氫燃料電池汽車。據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書》預測，到2030年，氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將超過1萬億元；加氫站數(shù)量將達到1000個，燃料電池汽車數(shù)量將達到200萬輛，我國在氫能開發(fā)利用方面與發(fā)達國家還有一定差距，我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的布局是怎樣的？有哪些挑戰(zhàn)？
4. 氫能離我們很遠嗎？世界氫能發(fā)展現(xiàn)狀如何？
歐盟將發(fā)展氫能作為主要規(guī)劃。2017年，雙方啟動了氫動力汽車聯(lián)合開發(fā)項目。2019年，歐洲發(fā)布了氫燃料電池發(fā)展的技術(shù)路線圖。2015年，美國在燃料電池和氫能技術(shù)發(fā)展報告中提出，將大力投資發(fā)展先進氫能和燃料電池技術(shù)相關(guān)的發(fā)展計劃。因此，美國35個州的加氫站現(xiàn)已投入運營。尤其是在加州，加州的推廣很有意思，加州在2018年擁有近37個加氫站，由于加州是長條形，在高速公路上的布局非常合理，當時，加州州長被稱為施瓦辛格，但他對氫能作為能源的作用非常敏感。
在豐田每批乘用車訂單銷售中，他都要求新能源汽車有一定比例的配額，并提出氫燃料汽車。他說你好好計劃，你每年給我多少，我會根據(jù)氫燃料汽車的數(shù)量配備加氫站，這是非常有戰(zhàn)略意義的。因此，加州目前在氫能源汽車的示范應用方面處于領(lǐng)先地位，加氫站的布局也十分合理，做出了示范。到2019年，美國已斥資約3100萬美元實施整個計劃，推動氫的規(guī)模化應用。當然覺得值得一提的是，在日本，豐田近年來并沒有停止氫燃料電池的研發(fā)，他們?yōu)闅淙剂想姵卦诮煌I(lǐng)域的工程應用做出了巨大貢獻。當然，他們也申請了數(shù)萬項專利。他們并不是說所有的專利都被屏蔽了，因為氫對全人類都有好處。日本政府首先將發(fā)展氫能作為國家戰(zhàn)略，制定了“三步走”戰(zhàn)略。到2025年，將擴大氫氣使用范圍。大概，整個氫能發(fā)電裝置將達到140萬臺。家庭的分布式的發(fā)電要到560萬臺，相當于日本住戶數(shù)的
我國氫能發(fā)展有哪些優(yōu)勢？
首先，國家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，早在2006年，氫能和氫燃料電池就被列入國家中長期科學發(fā)展規(guī)劃。隨后在中國制造2025的國家節(jié)能與新能源汽車路線圖中，也將氫能源和燃料電池汽車作為主要發(fā)展方向。
2016年，國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030）》，其中還包括氫能和燃料電池應用。我國2019年《政府工作報告》提出“推進充電和加氫設施建設”。目前，整個氫能和氫燃料電池汽車的應用已經(jīng)掀起了高潮。現(xiàn)在看來，北京、上海、天津，包括湖北、重慶、浙江、廣東都已經(jīng)開始了汽車氫燃料電池的研究和商業(yè)化試驗。事實上，中國制氫產(chǎn)業(yè)基礎還是很雄厚的，制氫能力也位居世界第一，當氫氣還沒有作為重要的能源使用時，它已經(jīng)被大量用作催化劑和還原劑，如合成氨精制和加氫。年產(chǎn)氫能力約2500萬噸，產(chǎn)量超過2000萬噸。這是在世界上都排第一。這里 97% 的氫來自化石能源。煤氣化產(chǎn)氫1000萬噸以上，天然氣產(chǎn)氫300萬噸以上，工業(yè)副產(chǎn)氫約800萬噸，包括電解水頁在100萬噸左右。當然，我們的工業(yè)副產(chǎn)氫氣現(xiàn)在可以達到 99.999% 純度的氫氣。我國未來氫能發(fā)展?jié)摿薮螅袌鼍薮蟆Ｎ覀兊纳逃密嚒⒏劭谪涇嚒⑽锪鬈嚕灰浅擞密嚕悠饋矶际蔷薮蟮摹?/span>
多地競相發(fā)展氫能
我國氫能產(chǎn)業(yè)正在進行區(qū)域布局。目前20個省市正在制定氫能源發(fā)展規(guī)劃和氫燃料汽車發(fā)展規(guī)劃，形成了華東、華中、華南、華北、東北、西南6個區(qū)域，代表城市如上海、如皋、佛山、張家口、武漢等六大氫能源和氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)集群。我們知道，在氫燃料電池汽車方面，上汽首先推出了乘用車、輕卡等，其110千瓦的氫燃料電池電堆技術(shù)相對成熟。
另外就是廣東的佛山，有一個人物叫許國，是副市長，我們叫他氫能源市長，非常重視氫能源發(fā)展，把它作為未來的一個戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。他在佛山云浮建立了一個氫能氫燃料汽車示范區(qū)，已經(jīng)有四座加氫站在運行，而且2019年還有若干座要投產(chǎn)，包括三個基地在這兒建設，一個佛山的高明，包括佛山的云浮和廣東新能源汽車的基地，也包括佛山南海。他建立了三個基地。張家口是國務院批準冬季奧運會上可再生能源的示范區(qū)，在19個縣區(qū)全面布局加氫站，在冬奧會上全部都用氫燃料汽車。而且中國首條自動化氫燃料電池的發(fā)動機大批量地應用在這兒要正式投產(chǎn)。當然還有江蘇的如皋，那是聯(lián)合國作為一個氫能源發(fā)展的示范城市，如皋現(xiàn)在有兩條30千瓦的電堆生產(chǎn)線。氫燃料電池要求到“十三五”期末到數(shù)十萬輛的規(guī)模，產(chǎn)值要超過千億元。
另一個是山東，提出建設“氫谷”的構(gòu)想，是省委省政府綜合號召，制定了總體規(guī)劃，為什么？一是電解鋁國內(nèi)規(guī)模最大，副產(chǎn)氫氣較多；二是焦炭4400萬噸，每噸焦爐煤氣400立方米，氫氣純度55%。此外，其氯堿工業(yè)發(fā)達工業(yè)的副產(chǎn)氫很好。他們有很強的從煤中制氫的能力。第三，其高速公路掌握在國有企業(yè)手中，高速公路上有120個服務站可以部署，在這里部署很方便，加氫站形成示范；另外，它是一個大的區(qū)域系統(tǒng)，離山西也很近，通過管網(wǎng)輸送氫氣的想法可能會實現(xiàn)，它擁有漫長的海岸線，海上風力發(fā)電機的發(fā)電能力可以用來制氫，最重要的是，譚旭光現(xiàn)為山東重工集團、中國重汽集團董事會主席，多年前，他就意識到未來柴油發(fā)動機可能會被氫發(fā)動機取代，他想開始氫發(fā)動機的研發(fā)，所以這幾年他幾乎在國外，悄悄收購了巴拉德的股份，后來他占巴拉德19.9%的股份，成為相對最大的股東，他利用巴拉德在加拿大的燃料電池技術(shù)，快速發(fā)展其氫能源和氫燃料電池發(fā)動機產(chǎn)業(yè)。它似乎是持續(xù)和確定的，他計劃在這項研發(fā)上投資500億元。目前，我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊，但要實現(xiàn)快速健康發(fā)展，必須改變氫能生產(chǎn)主要依靠化石能源、清潔能源制氫、以氫為燃料的現(xiàn)狀。
5、我國氫能產(chǎn)業(yè)如何取得突破？
推動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，布局氫能產(chǎn)業(yè)示范區(qū)
現(xiàn)在國內(nèi)氫燃料電池上
建立氫能國家重大專項，開創(chuàng)氫能重卡時代
我們建議設立國家重大專項來解決產(chǎn)業(yè)鏈中的重大技術(shù)裝備和工程問題，像液態(tài)儲罐70兆帕儲罐的氫氣管網(wǎng)和大規(guī)模制氫的技術(shù)，包括區(qū)域內(nèi)制氫，這些三大技術(shù)體系的一些重要的技術(shù)問題，還有一些材料裝備。重型柴油車密集的港口在中國有很多，從張家港、黃驊港、連云港到青島港都是重化工聚集地區(qū)。唐山港一億多噸鋼，黃驊港、邯鄲地區(qū)也是五六千萬噸鋼，到山東的臨沂這是最大的物流基地，柴油車密集。我們提出來一個中國在發(fā)展氫能和氫燃料電池汽車的技術(shù)路線，我們認為應該開創(chuàng)氫能的重卡時代，提出這么一個口號來帶動氫能和氫燃料電池汽車的發(fā)展，優(yōu)先發(fā)展氫能的商用物流車。現(xiàn)在國際上，豐田、尼古拉和現(xiàn)代在重卡汽車上已經(jīng)開始突破。國內(nèi)山東濰柴也把目標集中在重卡和大功率的氫燃料電池上，它準備搞200千瓦的氫燃料電池，而且在海南咱們都見證了它和神華集團簽訂了350噸的重型礦車的氫燃料電池的戰(zhàn)略性框架協(xié)議。咱們看看我們的主要港口，從唐山港、天津港、大連港、青島港、上海港等，2019年1月份，就一個月，它的貨物運輸量巨大，由5000萬噸到9000多萬噸。如果按照60%的公路運輸比例來看，那么整個重量估算是2.36億噸，集裝箱800萬標準箱。如果是每車運輸30噸的重卡，運距1000公里，單車消耗柴油250公斤，那么這樣一看，要達到1600萬次，要把這些貨物運完消耗柴油要到400萬噸。400萬噸這個排放可是不得了，折算氫氣每個月240萬噸，所以按照100公里15公斤的重卡消耗的氫，消耗的氫氣量3000萬噸，很不得了。3000萬噸的氫上來以后，我們要減排近4億噸左右的二氧化碳。所以在物流密集的港口地區(qū)我們一定要首先啟動氫系統(tǒng)的建立和重卡氫燃料車的試運行。
充分利用廢電，降低制氫成本
我國在可再生能源方面確實做了很大的努力。風電、光伏電池、水電、生物質(zhì)能、核電都發(fā)展迅速。尤其是風電和光伏電池，僅其中的兩個，現(xiàn)在就已經(jīng)建成了全球近一半的裝機容量。中國每小時有兩千塊太陽能電池板正在建造和安裝，每小時有兩臺風力發(fā)電機正在建造，而且速度非常快，但棄風棄光現(xiàn)象十分嚴重，為什么？可再生能源風電和光伏不穩(wěn)定，所以很多地方都建設了風電和光伏，但并不是所有的都用上了。另外，很難上國家電網(wǎng)，每年約有1000億千瓦時的電力被丟棄，這部分用作制氫的動力源，非常有利，成本低。這個電是多余的，我們撿起來了，它還可以產(chǎn)生大量氫氣，每年可使用約224億立方米，國家在制定氫能發(fā)展國家戰(zhàn)略時，要利用好目前棄光、棄風、棄水的1000億千瓦時電力，包括優(yōu)先使用工業(yè)副產(chǎn)氫，工業(yè)副產(chǎn)氫有多少？1000萬噸，一定要用好這兩個“1000”。例如，在吉林白城，需要建設3000萬千瓦風電、風能和光伏發(fā)電。我們可以制定一些以氫能為載體的新能源發(fā)展的技術(shù)路線。制氫技術(shù)使用堿性電解水。最終，氫氣的成本約為每公斤18-20元（含稅）。如果加氫站供應給加氫站，可能會有一定的利潤，可以商業(yè)化運營。并且還有進一步降低成本的空間。因此，在密集的港區(qū)，從物流或重卡出發(fā)，以構(gòu)建氫能系統(tǒng)為基礎，解決當前霧霾或環(huán)境緊迫問題，我認為是目前較好的發(fā)展路線。當然，我們也支持氫燃料電池的研發(fā)，但是你要有相當?shù)母偁幜Γ⑶矣谐掷m(xù)的研發(fā)能力，趕上國外氫燃料電池的水平，提高功率，提高操作的質(zhì)量。中國是一個工業(yè)化進程非常快的國家。建立高效合理的氫能體系，推廣使用可再生能源，改善人類生存環(huán)境，提高生活質(zhì)量，對我們尤為重要。
使用氫系統(tǒng)后，我們的電網(wǎng)將更智能、更高效、更合理、更節(jié)能，以推進氫能重卡時代為代表，是推進我們氫能和氫燃料電池業(yè)務和產(chǎn)業(yè)的較好途徑。為支持我們建設制造強國，21世紀人類必將進入氫社會和氫時代，我有信心完成歷史賦予我們這一代人的任務，把氫能的開發(fā)和氫能的利用放在這一歷史任務圓滿完成！
